热机械处理对Al-Cu-Mg合金显微组织和力学性能的调控机理

采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、拉伸力学性能测试以及疲劳裂纹扩展速率测试等手段探究热机械处理工艺对Al-Cu-Mg合金显微组织及宏观性能的影响。结果表明:热机械处理工艺可以使Al-Cu-Mg合金获得良好的强塑性配合,其中,采用25%变形量的固溶热轧+30%变形量的深冷非对称轧制(1.2异速比)+100℃、6 h的人工时效处理时,Al-Cu-Mg合金的伸长率可达10.1%;抗拉强度和屈服强度达到了517.2和448.3 MPa,分别比常规T6态的Al-Cu-Mg合金高74.8和98.6 MPa。热机械处理工艺使合金中出现大量位错缠结及细小S析出相,高强度的Goss织构和大量剪切织构通过影响疲劳裂纹的偏折提升合金的疲劳性能。

原子团簇尺寸对Al-Cu-Mg合金疲劳过程中滑移带形成及裂纹扩展行为的影响

通过透射电镜(TEM)、原子探针(APT)等分析手段,研究了不同时效态Al-Cu-Mg合金中原子团簇对疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:自然时效态试样只含有小尺寸原子团簇(<100个原子),而170℃人工时效态试样出现大尺寸原子团簇(>100个原子),且随着时效时间的延长,大尺寸原子团簇逐渐增多,并在170℃/8 h态开始析出少量S′相。小尺寸原子团簇对位错滑移的阻碍作用较小,在裂纹扩展过程中形成了较多的滑移带,裂纹沿滑移带扩展,表现出较高的裂纹扩展速率;随着团簇尺寸的增大,延缓了Al-Cu-Mg合金在疲劳过程中的溶解和强化效应的衰减,限制了裂纹前端滑移带的形成,显著降低了裂纹扩展速率;S′相的析出阻止了位错往复滑移并减少了裂纹闭合效应,表现出较高的疲劳裂纹扩展速率。170℃/1 h态合金中大尺寸原子团簇数量密度较高,且没有析出S’相,因此具有较优的抗疲劳裂纹扩展性能。

Al-Cu-Mg合金组织与力学性能的新型热机械处理调控

采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、拉伸力学性能测试、疲劳裂纹扩展速率测试等研究了新型热机械处理对Al-Cu-Mg合金组织与性能的影响及调控机理。结果表明:新型热机械处理可以使Al-Cu-Mg合金实现良好的强塑性配合,在高伸长率(11.3%)条件下抗拉强度和屈服强度分别达到516.7MPa和475.3 MPa。热机械处理中的大倾转角、大扭转角晶界的Goss晶粒和剪切织构的引入显著提高了合金的抗疲劳裂纹扩展性能,裂纹闭合效应可降低有效裂纹尖端应力强度因子范围,延缓疲劳裂纹扩展速率。新型热机械处理通过对析出相、位错与织构组态的协同调控以显著改善合金的力学性能。本工艺的织构演变包括Cube织构和Goss织构的形成与转变,Brass织构、Copper织构和S织构等轧制织构以及剪切织构的形成。

微量Sn添加对Al-Cu-Mg合金均匀化过程中组织演变的影响

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子探针显微分析(EPMA)和X射线衍射(XRD)等研究了微量Sn添加对Al-Cu-Mg合金均匀化前后微观组织演变的影响,同时对合金拉伸性能进行了测试。结果表明:Al-Cu-Mg-Sn合金中初生Mg_(2) Sn相的形成为剩余α(Al)液相的凝固提供了异质形核点,细化了Al-Cu-Mg合金的晶粒尺寸,由约300μm减少至约150μm。一级均匀化热处理(490℃保温22 h)后,含Sn合金中虽然具有更多的Al_(2) Cu相残留,但可通过更高温的二级均匀化热处理(510℃保温3 h)得到有效消除,且合金中的Al_(7)Cu_(2) Fe相也得到了较大幅度的细化和球化。添加微量Sn后,合金的抗拉强度由209 MPa提升至256 MPa,断后伸长率由3%提升至5.5%。断裂方式由解理断裂为主转变为出现大量韧窝的塑性断裂。

冷轧变形对Al-Cu-Mg合金的显微组织与力学性能的影响

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、EBSD技术、透射电子显微镜和万能拉伸试验机等研究了冷轧变形对热轧态Al-Cu-Mg合金显微组织和性能的影响。显微组织观察结果表明,随着冷轧变形量的增加,合金中未溶的Al_(2)CuMg[Fe,Mn]相和Al_(2)Cu[Fe,Mn]相发生了破碎。基体中存在较多的棒状Al_(2)0 Cu_(2)Mn_(3)相,该相附近存在大量缠结位错,对合金产生显著强化效果。在冷轧变形量为19%时,位错密度达到最大值。同时,随着冷轧变形量的增加,S、R、Cube、Goss、Brass织构的含量也增加,〈111〉、〈110〉织构的含量降低。力学性能测试结果表明,随着冷轧变形量的增加,合金强度提高,延伸率仍保持较高水平。当冷轧变形量为11%时,合金轧向综合力学性能最佳,抗拉强度为465.0 MPa,屈服强度为291.6 MPa,延伸率为19.0%。此时,合金横向抗拉强度为469.9 MPa,屈服强度为318.0 MPa,延伸率为16.9%。

析出相对Al-Cu-Mg合金蠕变行为的影响

利用不同的热处理制度制备T4、欠时效、峰时效和过时效4种状态的合金,并通过恒应力蠕变拉伸实验和显微组织观察分别对不同状态合金在150℃、225 MPa和200℃、200MPa的蠕变行为进行分析。结果表明:合金在150℃蠕变时,变形主要依靠晶内的位错滑移,细小弥散分布的析出相以及固溶原子对位错的钉扎有利于降低合金的蠕变速率;4种合金在该蠕变条件下均经历较长的稳态蠕变阶段,其中峰时效合金的蠕变速率最低;合金在200℃蠕变时,变形主要依靠晶界滑移;在蠕变过程中,峰时效态和过时效态合金中形成明显的无沉淀析出带,导致其蠕变速率显著增加,并且几乎没有出现明显的稳态蠕变阶段;欠时效态合金在该蠕变条件下的蠕变速率最低。

蛇形轧制对Al-Cu-Mg合金板材强韧性能及微观组织的影响

基于实验室自制蛇形轧制装置,采用室温拉伸、Kahn撕裂、电子背散射衍射(EBSD)等测试方法对比研究蛇形轧制非对称工艺参数对Al-Cu-Mg合金轧制板材的室温强度、断裂韧性和显微组织的影响。结果表明:合理的蛇形轧制工艺在能够使Al-Cu-Mg合金板材保持强度性能的同时,显著提升其断裂韧性。当偏移量相同时,蛇形轧制板材的强度性能随着异速比增加而提高,但伸长率和断裂韧性降低;当异速比相同时,随着偏移量增加,蛇形轧制板材强度降低,伸长率和断裂韧性明显升高。在偏移量10mm且异速比为1.1的条件下,蛇形轧制试样裂纹单位形核能提升高14%~36%。这是由于蛇形轧制能够增强Al-Cu-Mg合金板材Cube织构并减弱Brass织构,形成具有更高裂纹扩展阻力的织构组态所致。

不同压力对挤压铸造Al-Cu-Mg合金性能的影响

使用挤压铸造工艺制备了高强、高韧Al-4.5Cu-1Mg合金。在挤压力为70MPa下成型后,合金的最大抗拉强度达到288.8MPa、伸长率达到12.8%、HRB硬度达到48.3。通过对该合金力学性能及其显微组织的研究表明,合金的抗拉强度、伸长率以及硬度随着压力的增加而增大,并且在70MPa时达到最大值,70MPa之后继续增加压力,对材料性能影响不大。研究了挤压力对合金的密度和导电性的影响。试验结果表明,合金的密度随着压力的增加而快速增大,在挤压压力为70MPa时达到最大值,然后变化不大。

Ag含量对Al-Cu-Mg合金组织和性能的影响

采用维氏硬度、室温拉伸性能测试、金相显微分析技术、透射电子显微分析等手段,研究Ag含量对Al-Cu-Mg耐热铝合金组织和性能的影响。结果表明:随着Ag含量的增加,室温时Al-Cu-Mg合金的屈服强度和抗拉强度增加,塑性逐渐降低,但总体保持在较高水平;合金的硬化速率加快,峰时效提前,峰值硬度提高;不含Ag的Al-Cu-Mg合金中的强化相为θ'相,添加微量Ag后,Al-Cu-Mg合金的主要强化相为Ω相,且随着Ag含量的增加,Ω相的含量也逐渐增加,Ag能够促进Ω相的析出。

Mg对三元Al-Cu-Mg合金位错分布组态的影响

对经均匀化退火,不同变形锻造,固溶处理的样品,借助TEM,研究了Mg对三元Al-Cu-Mg合金位错分布组态的影响。研究结果表明:Cu原子与Al原子在变形与时效过程中形成了Al2Cu沉淀相而降低了Cu元素在Al基体中的浓度,减少了Cu、Mg元素的交互作用。由于Mg元素有较大的原子半径,与基体产生了很大的晶格畸变能和内摩擦力,因此Mg元素在Al基体中对位错的分布式滑移(交滑移)起着明显的阻滞作用,限制了胞状组织的形成。与典型的高能层错金属与合金中位错呈胞状组织不同,Al-Cu-Mg合金中的位错呈准均匀的Taylor晶格分布,这种分布可以降低合金的自由能。

微合金化对Al-Cu-Mg合金时效行为的影响

以微合金化元素对AlCuMg合金常规时效析出相的影响为出发点,分析了Ag,Si,Ge,Cd等元素对合金时效行为的影响。结果表明具有:完全改变常规析出相结构,形成新析出相;部分改变常规析出相结构,提高析出相的强化效果;促进析出相析出3种作用。分析了采用微合金化方法提高AlCuMg合金热强性所存在的问题,并对发展趋势进行了展望。

热处理对Al-Cu-Mg合金组织及性能的影响

采用MM6观察了Al-4.3Cu-1.6Mg合金的显微组织,并对其硬度、冲击韧度等性能进行了测试,研究了热处理工艺对合金性能的影响。结果表明:Al-4.3Cu-1.6Mg经515℃×6h固溶处理+190℃×12h时效处理,获得了良好的综合性能。

高纯Al-Cu-Mg合金铸态组织的研究

采用X射线衍射仪及扫描电镜对一种高纯Al-Cu-Mg合金的铸态组织进行了观察及表征,并对铸态组织中的第二相进行了能谱分析。研究结果表明,合金的铸态组织中主要存在α-Al、Al2CuMg(S)、Al2Cu(θ)以及Al7Cu2(Fe,Mn)相。根据Cu、Mg含量及其质量比对Al-Cu-Mg系合金相组成和力学性能的影响,对Al-Cu-Mg系合金的成分设计进行了讨论。

Ag对Al-Cu-Mg合金组织与性能的影响

通过硬度测试、拉伸测试和透射电镜(TEM)分析,研究了Ag对Al-Cu-Mg合金室温力学性能与显微组织的影响。结果表明,Ag的添加加速了合金的时效过程,使合金的室温强度得到明显提高。在165℃峰时效时,含Ag的合金析出相是与基体共格的片状Ω相及少量θ′相组成,未含Ag的合金析出相主要是θ′相。Ag促进合金强化的原因在于Ω相具有很好的沉淀强化作用,在长时间时效时具有较好的抗粗化能力。

Al-Cu-Mg合金单晶应力时效析出相取向分布效应

基于实验室自制的Al-1.2Cu-0.5Mg合金单晶材料,开展了不同应力水平下的应力时效试验和相应的透射电镜组织分析(TEM),并结合3种不同理论模型模拟研究了Al-1.2Cu-0.5Mg单晶经压缩应力时效和人工时效后析出相的分布规律与析出相取向分布作用机制。结果表明:在压应力作用下,Al-1.2Cu-0.5Mg合金单晶的时效析出相出现了显著的取向分布规律,且具有不同晶体取向的单晶在同样的压应力作用下时效后析出相分布取向程度差别明显;3种理论模型中,同时考虑应力与位错耦合作用的模型预测结果与实测结果相符,证明析出相的取向效应既有析出相-应力弹性交互作用促进机制,也有促进析出相均匀形核的位错抑制机制。

Al-Cu-Mg合金相图的计算

应用Levenberg-Marquardt(LM)算法进行了Al-Cu-Mg三元合金相图的计算。计算所得的三元Al-Cu-Mg合金相图与实验相图吻合很好,而且其对初始值的选取不敏感。

预拉伸变形对Al-Cu-Mg合金腐蚀性能的影响

采用表面腐蚀、慢应变速率拉伸(SSRT)实验研究预拉伸变形对Al-Cu-Mg合金腐蚀性能的影响。利用扫描电镜观察分析Al-Cu-Mg合金断口形貌及结构。结果表明,预拉伸变形可显著提高合金位错密度,为H原子的扩散提供更多的通道,因此,在相同腐蚀时间下,3.5%Na Cl溶液中T8态Al-Cu-Mg合金的腐蚀速率高于T6态。此外,预拉伸变形可显著增加S相弥散度,使得S相两侧的无沉淀析出带变窄,有效降低了晶界和晶内的电位差,从而降低晶界沉淀相的溶解速度,因此,在同一热处理状态下,Al-Cu-Mg合金在饱和H2S溶液中的应力腐蚀开裂敏感性高于干燥空气中的腐蚀开裂敏感性。同一应变速率下,T8态Al-Cu-Mg合金具有比T6态更好的抗应力腐蚀性能,表明预拉伸变形处理可显著提高合金的抗应力腐蚀性能。

热处理与热挤压对体育器械用Al-Cu-Mg合金微观组织和性能的影响

随着铝合金逐步应用于体育器材,对其使用性能要求越来越高。以Al-Cu-Mg预合金粉末为原料,采用真空热压烧结+热挤压+T6态热处理的工艺制备了Al-Cu-Mg合金,对其微观组织与性能进行研究。结果表明,热压烧结态Al-Cu-Mg合金存在较多的孔洞且在晶界处存在大量的微米级粗大析出相,所以此时其致密度和强塑韧性均较低。经过热挤压变形后,合金中孔洞数量明显降低,但此时微米级粗大析出相仍然存在且沿着热挤压方向呈现拉长状态。经过进一步T6热处理,微米级粗大析出相回溶到Al基体中,且析出了针状Al_(2)CuMg和片状Al_(2)Cu两种形态的纳米析出相,从而有利于Al-Cu-Mg合金性能的提升。因此T6热处理态Al-Cu-Mg合金的抗拉强度达到328 MPa,且保持较高的断裂伸长率,表现出较为优异的综合性能。

Al-Cu-Mg合金析出相的原子成键与性能

根据固体与分子经验电子理论(EET),计算Al-Cu-Mg合金时效初期形成的GPB区和S″相的价电子结构。结果表明,GPB区具有较强的共价键络,而S″具有较强的总共价成键能,这两种析出相的主体共价键络都对合金基体具有增强作用。同时从价电子结构层次和析出相中Al原子的总成键能力合理解释了GPB区演化为S和S相的相变机理,并说明了相变对合金的强化作用。

Zn-Al-Cu-Mg合金气焊接头显微组织的分析研究

用透射电镜对Zn-Al-Cu—Mg合金的氧乙焰气焊焊接接头的组织及其形态进行了研究分析，结果表明，熔合区靠近母材的β-Zn和α-Al大多呈颗粒状，焊缝中的β-Zn和α-Al呈条状和颗粒状，α-Al颗粒内存在大量的位错和位错环；在β-Zn与α-Al颗粒内和晶界上主要存在Al4Cu9、β’-CuZn、Al7Cu3Mg6及CuTi2。Al4Cu9与β-Zn存在一定的晶格取向关系，[211]Al4Cu9／／[212]β-Zn，即(011)Al4Cu9／／(101)β-Zn，(111)Al4Cu9／／(120)β-Zn。